药用石斛多糖-精胺复合水凝胶：可调的流变性能及优化的体外结肠发酵效果

《International Journal of Biological Macromolecules》：Dendrobium officinale polysaccharide–spermidine composite hydrogels: Tunable rheological properties and improved in vitro colonic fermentation

Dendrobium officinale多糖与精胺复合水凝胶（DOP–Spd）通过不同比例（18:2, 18:4, 18:6）形成具有可调流变特性的新型食品基质，18:2比例水凝胶水分保持率达76.41%，在体外消化后进入结肠的比例达80%，显著促进拟杆菌门菌（Bifidobacterium longum, Bacteroides）等有益菌增殖，抑制肠球菌和色斑乳杆菌生长，代谢组学分析显示其增强丙酸、丁酸等短链脂肪酸及NAD+、腺苷等活性代谢物生成，调控糖代谢、能量代谢及柠檬酸循环等关键通路，为吞咽困难人群设计兼具质地改良和肠道菌群调节功能的食品提供新思路。

　　

段慧|李金伟|于蕾蕾|范柳萍|周卫标

海南大学食品科学与工程学院，海南省食品营养与功能性食品重点实验室，海口，570228，中国

摘要

铁皮石斛多糖（DOP）和精胺（Spd）在秀丽隐杆线虫中表现出协同的抗衰老作用，表明它们在功能上可能存在互补性。本文构建了一种DOP–Spd复合水凝胶（DS），以结合结构可调性和与发酵相关的功能性。三种不同的重量比（18:2、18:4和18:6，DOP:Spd）成功制备出了水凝胶。增加Spd含量可以提高凝胶的强度和热稳定性，表现为更高的硬度（149.62–353.75?g）、咀嚼性（41.04–119.07）和DTG峰值温度（331.7–334.0?°C）。所有DS水凝胶都表现出剪切稀释现象，并且具有明显的线性粘弹性区域（0.1%–1.0%应变）。其中，18:2配方的保水能力最强（76.41%），因其适合中度吞咽困难的患者而被选用于后续的消化和发酵研究。结果显示，大约80%的多糖通过上消化道并到达结肠，无论是DOP还是DS水凝胶。这两种物质都促进了有益菌群（如双歧杆菌）的生长。DS显著促进了B. pseudocatenulatum、B. longum、B. ruminantium、Prevotella_2和Bacteroides的生长，同时抑制了肠球菌和黄酮分解菌。功能预测显示，与碳水化合物和能量代谢相关的途径得到了增强。代谢组学分析（OPLS-DA）揭示了明显的组间差异。与DOP相比，DS增加了关键代谢物的含量，包括丙酸（1.40倍）、丁酸（1.98倍）、苹果酸（3.94倍）、NAD⁺（2.87倍）、腺苷（4.16倍）和色氨酸（2.43倍），并且吡ruvate、半乳糖、甘油酸/二羧酸、嘌呤以及淀粉/蔗糖代谢途径得到富集，同时柠檬酸循环也有所增强。这些结果表明，DOP–Spd（18:2）水凝胶结合了理想的流变特性和改善的微生物群相关功能，支持其作为双功能食品基质的潜力。

引言

随着对提高感官质量和证实健康益处的需求不断增加，人们正在设计既受消费者欢迎又在营养上有效的食品基质。这一需求在咀嚼和吞咽能力受损的老年人中尤为明显，因为口腔处理的限制会减少食物摄入和营养物质的吸收，因此需要改进质地、注重功能的食品设计[1]。吞咽困难会显著影响营养摄入，降低生活质量并导致不良健康后果；全球约有2–20%的人口受到影响，其中老年人的患病率为15–40%[2]。水凝胶——这种能够保持大量水分并具有可调机械性能的三维聚合物网络——已成为老年营养输送系统的有希望的选择，特别是对于有咀嚼和吞咽困难的人[3]、[4]、[5]、[6]。除了在改善质地方面的作用外，水凝胶还被越来越多地认为是体外结肠发酵模型中的可发酵基质，可以调节微生物组成和代谢产物的产生。它们的组成、交联特性和网络结构会影响降解行为、微生物的可及性和短链脂肪酸（SCFA）的生成[7]。与可溶性底物相比，水凝胶系统通常在结肠中的发酵过程较慢且更远端，从而实现SCFA的持续释放，这种模式通常被认为对宿主健康有益。

铁皮石斛在中国作为一种功能性食品有着悠久的历史。其主要活性成分铁皮石斛多糖（DOP）占干燥茎秆中水溶性提取物的70%[8]。DOP主要是一种线性阴离子葡甘露聚糖，由β-1,4连接的甘露糖和葡萄糖残基组成，甘露糖单元部分具有O-2/O-3乙酰化[8]。它具有多种生物活性，包括抗氧化、免疫调节、胃肠道保护、降血糖、抗衰老和抗肿瘤作用[9]、[10]。这些结构和功能特性使DOP成为水凝胶系统的理想食品级原料[4]。精胺（Spd）是一种低分子量的多胺，含有三个可质子化的氨基，能够与多糖等聚阴离子生物分子发生强相互作用[11]。Spd参与细胞生长和自噬的调节，与抗肿瘤、抗衰老、抗炎以及心血管和神经保护作用有关[12]。多糖和多胺之间的相互作用已被用于制备药用物理水凝胶，但基于Spd的水凝胶系统在食品中的应用仍大多未被探索[11]、[13]。值得注意的是，先前的研究表明DOP和Spd具有协同的抗衰老作用，表明它们在功能上可能存在超越简单共存的互补性[14]。

近年来，关于基于DOP的食品水凝胶的研究有所增加，通常将DOP与其他多糖或蛋白质结合，大多数研究集中在质地调节上。例如，基于DOP的水凝胶已被开发为高湿度、具有可调粘弹性特性的系统，如DOP–黄原胶和DOP–大麻蛋白组合[4]、[15]。DOP还被用于改善结构食品的质量，包括冷冻面团和面包，通过氢键结合水分以减少冰晶损伤并改善质地[16]，以及乳制品凝胶，其中它稳定蛋白质网络[17]。尽管取得了这些进展，但目前的研究主要集中在质地特性和水凝胶结构上，对消化行为以及随后的微生物发酵和代谢反应的关注有限。

本文制备了一种易于吞咽的DOP–Spd水凝胶，其流变特性可调，并通过体外消化和结肠发酵进行了评估，以研究结构与发酵之间的联系。与以往主要关注单一属性（如凝胶质地）的研究不同，本研究将结构设计与消化和发酵分析相结合，提供了对基于DOP的水凝胶更全面的表征。

部分内容

DOP–Spd水凝胶的制备

铁皮石斛多糖（DOP）是根据先前描述的方法从铁皮石斛粉末中提取的[10]。DOP的纯度为80.33%，分子量为324.54?kDa，甘露糖与葡萄糖的比为2.86。通过在70?±?1?°C下用去离子水磁力搅拌6?±?0.1?小时，制备了浓度为1.0?±?0.05%（w/v）的DOP溶液（图1A）。然后加入Spd（CAS# 124–20-9，分析标准品，≥98%，上海豫源），并在搅拌下进行涡旋混合

表观粘度和保水能力（WHC）

当1%（w/v）的DOP和Spd以18:2、18:4和18:6的质量比混合时，在25?±?2?°C下会自发形成水凝胶（图1B）。不同比例的DOP–Spd配方的表观粘度如图1C所示。所有样品都表现出剪切稀释现象，随着剪切力的增加，粘度显著降低[4]。此外，在50?s^?1的剪切率下测得的粘度是评估吞咽安全性的关键指标[33]。DOP溶液及其与低浓度Spd的混合物

结论

本研究开发了一种DOP–Spd复合水凝胶，作为一种可调节质地的微生物群调节食品基质，适合吞咽能力下降的人群。增加Spd的比例（从18:2到18:6）可以提高机械强度、硬度和咀嚼性，而保水能力（WHC）则降低。具体来说，硬度从149.62?g增加到353.75?g，咀嚼性从41.04增加到119.07，而WHC从76.41%降低到45.63%。这些变化与

作者贡献声明

段慧：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，数据管理。李金伟：监督，项目管理。于蕾蕾：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。范柳萍：监督，资金获取，概念构思。周卫标：监督，方法学。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了新疆自治区重点研发计划（2024B04018-1）、中央地方科技发展引导资金（ZYYD2025QY11）和海南大学基础研究基金（XJ2500008399）的资助，这些资助使我们能够完成这项研究。